由于打击精度高、射程远、隐蔽性好等特点,潜射武器备受各军事强国的重视。近年来,为了减小潜基导弹的出水载荷,国内外均发展了通气状态下的出水方式,以此来改善弹体在出水过程中的力学环境。然而由于不可凝结气体的通入,使得形成的通气空泡流态特征呈现出多样性、复杂性,与自然空泡存在较大差异,而出水前的空泡形态是决定弹体发射成败的关键控制因素。同时空气相与蒸汽相相互耦合使流场成为气、汽、液三相复杂多相流动,更加剧了流场的复杂性。开展通气状态下的空化流动研究具有重要的科学意义和工程应用价值。本文主要针对工程研制过程中迫切需要解决的水动力关键问题,对绕回转体的通气空化多相流流态特征与空泡脱落特性进行了实验与数值计算研究。主要研究内容及创新性成果如下:获得了不同攻角下绕回转体通气空化多相流流态图谱。定义了四种相对稳定型(连续上漂状、离散细泡状、连续细泡状以及超空泡状)和三种尾部脱落型(泡沫状、连续泡沫状以及水气混合状)的空泡形态,分析了流动参数和通气参数对空泡形态的影响,发现傅汝德数和通气率在空泡形态之间的转换中起着决定性作用。在傅汝德数相对较小时,空泡以双涡管方式闭合,空泡形态呈现出连续上漂状。当通气率保持一致时,随着傅汝德数的增大,重力对空泡形状的影响逐渐减弱,空泡尾部闭合方式由双涡管闭合逐渐向回射流闭合转变,空泡形态转变为连续细泡状。当傅汝德数Fr>9.1时,空泡形态由相对稳定型转变为尾部脱落型。通气率的增大会引起空泡长度的显著增大,进而造成空泡的形态发生改变。在相对稳定型空泡形态分布区域内,相同傅汝德数下,随着通气率的增大,空泡形态由离散细泡状逐渐转变为连续细泡状和超空泡状;在尾部脱落型空泡形态分布区域内,随着通气率的增大,空泡形态则由泡沫状逐渐转变为水气混合状和连续泡沫状。揭示了绕回转体通气云状空泡的发展过程及其断裂脱落机理。通气云状空泡的发展过程主要经历快速增长、小幅脉动增长以及周期性脱落三个特征阶段。第三阶段准周期性的大尺度空泡团脱落是造成流场非定常变化的主要因素,脱落空泡在向下游发展的过程中没有经历强烈的溃灭。通气云状空泡内部流动结构沿回转体圆周方向呈现不对称分布,导致其在发展演化过程中存在明显的三维效应特征。反向射流的螺旋状推进路径以及在周向上推进的不同步性引起空泡发生不规则断裂,从而在空泡中部形成大尺度U型空泡团的脱落。随着攻角的增大,空泡偏转角θ逐渐减小,反向射流的推进速度随之减小,且其推进方向逐渐向空泡尾部移动,导致空泡断裂位置由回转体肩部向空泡末端移动。同时,攻角的增大引起空泡层厚度与反向射流层厚度逐渐接近,造成反向射流与空泡内部通气气流的作用加强,进而导致空泡尾部频繁发生空泡团的脱落现象。提出了垂直发射状态下绕回转体通气空泡脱落无量纲判定准则及表达式。无量纲发射深度、通气率、空化数(或欧拉数)以及傅汝德数是影响水下垂直发射过程中空泡状态的四个主要无量纲参量。在通气率、欧拉数和傅汝德数等参数的综合作用下,空泡尾部的脱落形态及尺度主要呈现出三类:局部小尺度脱落、大尺度旋涡脱落以及介于两者之间的过渡阶段。随着傅汝德数的增大,空泡脱落形态由局部小尺度脱落转化为大尺度旋涡脱落,相同傅汝德数和通气率下,欧拉数的降低可以有效的增加空泡长度,进而可以减小空泡的脱落尺度。另外,结合量纲分析和CFD计算,确定了无量纲判定准则表达式中相关参数的具体值,进一步利用判据讨论了发射条件对空泡状态的影响规律:空化数σ越大,傅汝德数Fr越小,空泡越容易发生脱落;发射深度的增加很容易引起空泡脱落的发生;通气率的增大可以有效的增加空泡长度,进而提高空泡的稳定性。